JP2019139141A - レンズユニットおよび画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広角な投射光学系を備えながらも被照射面での多重像を抑止するレンズユニットの提供。【解決手段】本発明のレンズユニットは、被照射面に向けて投射光を投射する投射光学系と、前記投射光学系を内部に備え前記投射光を外部に出射するための開口部を有する筐体と、前記投射光学系と前記被照射面との間に前記開口部を覆うように配置され、前記投射光を透過するカバー部材と、を有し、前記カバー部材は、前記投射光の最大光線入射角：ω、ｄ線に対する屈折率nd、当該カバー部材の厚みをｔ、としたとき、条件式（１）〜（３）：（１）８５＞ω＞５５（２）ｎｄ＞１．５５（３）３．２＞（sin（ω）／ｎｄ×ｔ）＞０．４を満足する。【選択図】図１

Description

この発明は、レンズユニットおよび画像投射装置に関する。

画像をスクリーンなどに向けて投射するプロジェクタ等の画像投射装置が知られている。

このような画像投射装置において、近年では近い距離で大きな投影サイズを確保する為、レンズの短焦点化・広角化の要求が強まっている。

さて、一般に画像投射装置の筐体には、投射光学系内部への塵などの侵入を防ぐため、または傷付きやすい光学部品の保護の観点から、開口部となる位置に平行平板ガラスからなるカバーが配置されている。
通常、このようなカバーは、屈折力を有しないため、収差等への影響は極小であり、光学設計上は画質劣化しないものとして取り扱われている。
しかしながら、上述したような極端な短焦点化やそれに伴う広角化により、カバーへの入射角が増大してくると、内部反射による二重、または複数の像が重なる所謂多重像等を生じてしまうおそれがあることが明らかになってきた。

本発明は、広角な投射光学系を備えながらも被照射面での多重像による解像力低下を抑止するレンズユニットの提供を目的とする。

この発明のレンズユニットは、被照射面に向けて投射光を投射する投射光学系と、前記投射光学系を内部に備え前記投射光を外部に出射するための開口部を有する筐体と、前記投射光学系と前記被照射面との間に前記開口部を覆うように配置され、前記投射光を透過するカバー部材と、を有し、前記カバー部材は、前記投射光の最大光線入射角：ω、ｄ線に対する屈折率nd、当該カバー部材の厚みをｔ、としたとき、条件式（１）〜（３）：（１） ８５＞ω＞５５（２） ｎｄ＞１．５５（３） ３．２＞（sin（ω）／ｎｄ×ｔ）＞０．４を満足する。

本発明によれば、広角な投射光学系を備えながらも被照射面での多重像を抑止するレンズユニットを実現できる。

本発明の画像投射装置の一例を説明するための図である。 図１に示したレンズユニットの構成の一例を示す図である。 図２に示したカバーの構成の一例を説明するための図である。 カバーの従来例を示す図である。

図１に、本発明の実施形態の一例として、投射光学系たる投射レンズ群１を備えた画像投射装置１００を示す。
本実施形態における画像投射装置１００は、画像表示素子たる液晶パネル１０１に表示された原画像を被照射面たるスクリーン１０４へと拡大して投射するプロジェクタである。

画像投射装置１００は、液晶パネル１０１と、プリズム１０２と、投射レンズ群１とを覆うように形成された筐体部２０と、筐体部２０に開けられた開口部２１と、開口部２１に配置されたガラス製のカバー部材たるカバー３０と、を有している。

原画像の表示を液晶パネル１０１で行うプロジェクタは、３原色（赤・緑・青）に対応した３枚のライトバルブたる液晶パネル１０１により変調された３つの光を色合成光学系たるプリズム１０２により合成して投射レンズ群１に入射させる。

また、本実施形態では原画像の画像表示素子として液晶パネル１０１を用いたが、かかる構成に限定されるものではなく、微小ミラーを並べて構成されたＤＭＤ等の反射型表示素子で行うとしても良い。
かかる反射型表示素子を用いる構成では、反射型表示素子を照明する光路を、反射型表示素子と投射レンズ群１との間に確保する必要がある。

投射レンズ群１は、複数のレンズ２を備えた投射光学系であって、例えば図１に示すようにパワーを有する反射部材を設けた反射型の投射光学系であっても良い。
このような反射部材は、レンズユニット１０３を広角化させる為の広角化反射部材としての機能を有している。

筐体部２０は、投射レンズ群１から出射した投射光Ｌ１が透過するための少なくとも１つの開口部２１を有する筐体である。
本実施形態では、筐体部２０は、液晶パネル１０１と、プリズム１０２と、投射レンズ群１とを覆うように形成されて一体のレンズユニット１０３を構成するが、かかる構成に限定されるものではない。
例えばレンズユニット１０３は、液晶パネル１０１とプリズム１０２と、を別体に設け、投射レンズ群１と、筐体部２０と、開口部２１と、カバー３０と、によって構成されるレンズユニットであっても良い。

開口部２１は、投射レンズ群１の最も拡大側の光学部材と、スクリーン１０４との間に形成された開口である。開口部２１は、投射レンズ群１から出射した投射光Ｌ１が妨げられないように、投射レンズ群１の出射角に対して十分大きくなるように形成されている。

カバー３０は、開口部２１を覆うように配置され、投射レンズ群１への塵などの侵入を抑制するカバー部材としての機能を有している。
また、カバー３０は、本実施形態においては、平行平板のガラス材料で構成された平行平板ガラスであり、屈折力を有さない。ここでは特にカバー３０を平行平板のガラス材料を用いて構成したが、後述する屈折率等の条件を満たす範囲において、樹脂材料で構成しても良いし、その他光学材料を用いるとしても良い。

画像投射装置１００は、液晶パネル１０１に表示された原画像を投射レンズ群１によって、拡大し、スクリーン１０４へと投影する。

さて、図４に示すような、従来知られている平行平板のカバー４０を用いた構成においては、一般的な投射光学系であれば、屈折力を持たないために画像の質の劣化を招くことは考慮されていなかった。

しかしながら、例えば半画角７０°以上のような、短焦点、広角な投射光学系を用いる場合においては、カバー４０に対する投射光の最大入射角ω’が大きくなることが予想される。
最大入射角ω’が大きくなる場合には、図２に入射角による反射率の違いを示すように、特にω’＞６０°の場合において、ガラス表面の反射率が増大してしまう。そのため、図３に例示するように、正規の投射光Ｌ１とは別に、二次反射光Ｌ２までもがスクリーン１０４へと投影されてしまい、かかる二次反射光Ｌ２がスクリーン１０４に多重像として見えるなどの画像の質の劣化を引き起こすおそれがある。

そこで、本実施形態においては、カバー３０は、カバー３０への最大光線入射角：ω、ｄ線に対する屈折率：ｎｄ、厚み：ｔ、最も短手側の長さ：Ｌとしたとき、次の条件式（１）〜（４）を満足する。

条件式（１）は、カバー３０に入射する投射光Ｌ１の最大入射角の範囲を示しており、図２に示したように、特に最大入射角ωが６０°以上の、反射率が大きく増大してしまうような構成において本実施形態が有効に機能することを示している。
条件式（１）の下限値以下の値であれば、単なる平行平板のガラスを用いた場合にも、多重像などを引き起こす虞が低くなる。
条件式（１）の上限値以上の値であれば、ほぼカバー３０に平行な入射となってしまうため、投射光学系のカバーとして不適である。

条件式（２）は、カバー３０に用いられるガラス材料の屈折率の範囲を示すものである。かかる屈折率が下限値以下であると、媒質の境界面付近における入射角が小さくなりすぎてしまうため好ましくない。
本実施形態では、カバー３０を構成するガラス材の材質を、条件式（２）を満足するように選択することで、出射面への角度を鋭角にして正規の投射光Ｌ１と、二次反射光Ｌ２との間に生じる間隔を狭めて多重像の形成を抑止する。

条件式（３）は、カバー３０の厚みｔと屈折率ｎｄと投射光Ｌ１の入射角との間の関係を表したものである。
条件式（３）が、下限値以下の値であれば、カバー３０の厚みｔが薄くなりすぎてしまうため、加工精度やカバーに求められる強度を満足することが難しくなるため望ましくない。
また条件式（３）が上限値以上の値であれば、カバー３０の厚みｔが増大しすぎてしまい、投射光Ｌ１と二次反射光Ｌ２との間隔が広がりすぎてしまうため、望ましくない。

この点について、投射光Ｌ１と、二次反射光Ｌ２との間隔Ｌ_１２は、カバー３０の内部を透過する時の光線のずれによって生じるから、カバー３０の厚みｔと屈折率ｎｄとによって間隔が変化する。すなわち、条件式（３）は、最大入射角ωと、屈折率ｎｄと厚みｔとを条件付けることによって、投射光Ｌ１と二次反射光Ｌとの間の距離Ｌ_１２を制限するためのものであると言い換えても良い。したがって、カバー３０の厚みのみを変えて条件式（３）の範囲に収まるように設定しても良いし、屈折率ｎｄのみを変えて条件式（３）の範囲内にするとしても良い。

本実施形態では、条件式（３）を満足することで、カバー３０を十分に強度や加工精度等を保ちながらも、多重像の形成を抑制することができる。

また本実施形態では、カバー３０の厚み：ｔは、カバー３０の最も短手側の長さ：Ｌとしたとき、条件式（４）を満足する。

条件式（４）は、本実施形態におけるカバー３０の大きさと厚みとの適切な関係を表しており、条件式（４）が下限値以下であると、短手の長さに対して厚みが薄すぎて、加工精度や強度の低下を招く虞がある。
また、条件式（４）が上限値以上であると、短手の長さに対して厚みが厚くなりすぎるため、強度は向上するものの、投射光Ｌ１と二次反射光Ｌ２との間隔が広がりやすくなるため望ましくない。

以上述べたように、本実施形態では、画像投射装置１００は、被照射面たるスクリーン１０４に向けて投射光Ｌ１を投射する投射レンズ群１と、投射レンズ群１を内部に備え投射光Ｌ１を外部に出射するための開口部２１を有する筐体部２０と、投射レンズ群１とスクリーン１０４との間に開口部２１を覆うように配置され、投射光Ｌ１を透過するカバー３０と、を有している。
本実施形態では、カバー３０は、投射光Ｌ１の最大光線入射角：ω、ｄ線に対する屈折率ｎｄ、当該カバー部材の厚みをｔ、としたとき、条件式（１）〜（３）：（１） ８５＞ω＞５５、（２） ｎｄ＞１．５５、（３） ３．２＞（sin（ω）／ｎｄ×ｔ）＞０．４、を満足する。

かかる構成により、広角な投射光学系を備えながらも被照射面での多重像を抑止することができる。

また、本実施形態では、カバー３０は、カバー３０の厚み：ｔ、最も短手側の長さ：Ｌとして、条件式（４）Ｌ／５＞ｔ＞Ｌ／４０を満足する。

かかる構成により、広角な投射光学系を備えながらも被照射面での多重像を抑止することができる。

また、本実施形態では、画像投射装置１００は、投射光Ｌ１の光源１０１と、投射光Ｌ１をスクリーン１０４へと照射するための投射光学系としての投射レンズ群１と、を有し、スクリーン１０４に向けて画像を投射する。
かかる構成により、広角な投射光学系を備えながらも被照射面での多重像を抑止することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について述べたが、この発明は上述した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において種々の構成をとることが可能である。

この発明の実施形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は、「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

１ 投射光学系（投射レンズ群）
２ レンズ
２０ 筐体（筐体部）
２１ 開口部
３０ カバー部材（カバー）
４０ カバー
１００ 画像投射装置
１０１ 液晶パネル
１０２ プリズム
１０３ レンズユニット
１０４ スクリーン（被照射面）
ω 投射光の最大光線入射角
ｎｄ ｄ線に対する屈折率
ｔ カバー部材の厚み
Ｌ カバー部材の短手側の長さ

特許第５５４４７１１号公報 特許第４３９６７６９号公報 特許第４４６７６０９号公報

Claims (5)

1. 被照射面に向けて投射光を投射する投射光学系と、
   前記投射光学系を内部に備え前記投射光を外部に出射するための開口部を有する筐体と、
   前記投射光学系と前記被照射面との間に前記開口部を覆うように配置され、前記投射光を透過するカバー部材と、を有し、
   前記カバー部材は、前記投射光の最大光線入射角：ω、ｄ線に対する屈折率nd、当該カバー部材の厚みをｔ、としたとき、条件式（１）〜（３）：
   （１） ８５＞ω＞５５
   （２） ｎｄ＞１．５５
   （３） ３．２＞（sin（ω）／ｎｄ×ｔ）＞０．４
   を満足することを特徴とするレンズユニット。
2. 請求項１記載のレンズユニットであって、
   前記投射光学系は、広角化させる為の広角化反射部材を有することを特徴とするレンズユニット。
3. 請求項１に記載のレンズユニットであって、
   前記カバー部材が、樹脂材で形成されたことを特徴とするレンズユニット。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載のレンズユニットにおいて、
   前記カバー部材は、当該カバー部材の厚み：ｔ、最も短手側の長さ：Ｌとしたとき、条件式（４）：
   （４） Ｌ／５＞ｔ＞Ｌ／４０
   を満足することを特徴とするレンズユニット。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のレンズユニットと、
   前記投射光の光源と、を有し、
   前記被照射面に向けて画像を投射する画像投射装置。

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